□文/周 奧 王洪龍

某高速公路上的一座特大跨徑橋梁，分左右兩幅。主橋為三跨的連續(xù)剛構橋，其橋跨布置為118 m+210 m+118 m。主跨采用分段平衡懸臂澆筑法施工，在施工過程中箱梁腹板產(chǎn)生裂縫。為檢測該橋的施工質量，確保工程的可靠性，建立計算模型分析施工中箱梁開裂的原因。

1 工程概況

主橋上部結構采用單箱單室直腹板的箱型截面，頂板寬為13.75 m，底板度為8 m，支點梁高為13 m，跨中梁高為4.8 m。橋梁橫坡由箱梁頂板斜置形成，箱梁底板置平，腹板高度根據(jù)橫坡變化調整。箱梁頂?shù)装搴癜凑?.6次拋物線變化。0#塊箱梁底板厚160 cm，底板厚度從懸臂根部的130 cm變化為懸臂澆筑段結束處的32 cm；0#塊箱梁頂板厚度為50 cm，剩余各節(jié)段頂板厚度為30 cm；0#塊箱梁的腹板厚度為100 cm，1#～4#塊的腹板厚度為90 cm，5#～6#塊的腹板厚度為80 cm。

2 裂縫成因

置于自然環(huán)境中的混凝土結構由于熱脹冷縮的材料性質，當周圍環(huán)境氣溫的變化時，其外部溫度迅速發(fā)生變化，而結構內(nèi)部溫度保持不變，混凝土結構形成較大的內(nèi)外溫度差而出現(xiàn)較大的變形，如果變形受到多余的約束，便會在結構內(nèi)部產(chǎn)生溫度應力，當溫度應力大于混凝土的抗拉強度時則產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫與其他裂縫最大的不同點就是會隨著溫度的變化而擴張或合攏。對許多已開裂的連續(xù)剛構橋進行理論分析和試驗研究發(fā)現(xiàn)：在超靜定的大跨徑連續(xù)剛構橋體系中，溫度應力對連續(xù)剛構橋箱梁開裂的影響已經(jīng)超過了荷載應力，成為預應力混凝土連續(xù)剛構橋產(chǎn)生裂縫的主要原因。

大跨徑連續(xù)剛構橋的溫度應力由溫度次應力 (混凝土的溫度變形受到多余約束而產(chǎn)生的應力)及溫度自應力(混凝土在溫度變形時，因要服從平截面假定，致使截面內(nèi)纖維層的變形不協(xié)調而互相約束，從而在整個截面內(nèi)產(chǎn)生的一組自相平衡的應力)兩部分組成。其計算公式如下：

式中：σ自（z）——溫度自應力；

E——混凝土彈性模量；

α——混凝土的線脹系數(shù)；

A1——橋面板面積；

A——橋的全面積；

e——截面的重心軸與橋面板重心之間的距離；

z——截面高度；

T——溫度；

Zc——截面重心軸與箱梁底面之間的距離；

I——截面到箱梁底面的慣性矩。

式中：σ次（z）——溫度次應力；

由于混凝土構件的導熱率較差造成其沿著截面高度出現(xiàn)溫度梯度。溫度梯度對超靜定的連續(xù)剛構橋的裂縫影響較大，除了與結構表面特性和形狀有關外，還與大氣透明度、周圍溫度、地形地貌以及風速的增減等因素相關。不同的橋梁規(guī)范對于溫度梯度的說明也不一樣，同一座橋梁采用不同的溫度梯度模式計算得到的梁內(nèi)溫度應力差別很大，甚至可能會異號。如果選擇了不恰當?shù)臏囟忍荻饶Ｊ剑退阍龃鬁夭畹脑O計修正值，不能確保結構的抗裂安全儲備。

3 溫度梯度的影響分析

在計算時不考慮結構自重及預應力等因素，只考慮溫度梯度的效應。在模型中以6#塊腹板為研究對象，取6#塊順橋向左側腹板與頂板交接處內(nèi)側一排節(jié)點，對其主拉應力進行對比分析。

3.1 不同規(guī)范中規(guī)定的溫度梯度對腹板主拉應力的影響

連續(xù)剛構橋因長年累月的被置于自然環(huán)境中，所以受到溫度的影響比較大。通常溫度作用的影響可以分為兩類：年溫差對橋梁的影響以及局部溫差對橋梁的影響。國內(nèi)外橋梁的專業(yè)人士進行了大量的有關溫度對于橋梁結構影響的調查和分析，并在此基礎上形成了各國相應的規(guī)范。因為地域、氣候的差異，每個國家的規(guī)范中有關溫度梯度模式的制定也存在很多不一致。

3.1.1 常用規(guī)范

1）JTJ 021—85《公路橋涵設計通用規(guī)范》。JTJ 021—85中的溫度梯度模式見圖1。

2）JTGD60—2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》。JTGD 60—2004規(guī)定：在計算橋梁結構因為溫度梯度而產(chǎn)生的影響時，采用如圖2所示的溫度沿著上部結構截面的高度方向分布的梯度曲線。在預應力混凝土箱梁結構中，橋面板表面的最高溫度T1=25℃，向下離橋面板100 mm處的溫度T2=6.7℃；當箱梁梁高H＜400 mm時，圖 1中 A＝H－100(mm)；當 H≥400 mm時，A＝300 mm?；炷辽喜拷Y構的豎向日照負溫差為正溫差的－1/2。

圖1 JTJ 021—85規(guī)范中溫度梯度模式

圖2 JTGD 60—2004中溫度梯度模式

T1、T2的取值見表 1。

表1 豎向日照溫差計算的溫度基數(shù) ℃

3）澳大利亞橋梁規(guī)范。澳大利亞規(guī)范中的溫度梯度模式見圖3。

圖3 澳大利亞規(guī)范中溫度梯度模式

4）BS5400英國橋梁規(guī)范。英國規(guī)范中的溫度梯度模式見圖4。

圖4 英國規(guī)范中的溫度梯度模式

3.1.2 影響分析

以連續(xù)剛構橋空間仿真模型為依托，按照前面介紹的規(guī)范所規(guī)定的溫度荷載進行計算并對比，具體各規(guī)范溫度特征值T的取值見表2。

表2 不同規(guī)范的溫度特征值 ℃

在各規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下，箱梁的主拉應力見圖5-圖9和表3。

圖5 JTJ 021—85溫度梯度下主拉應力

圖6 JTGD 60—2004溫度梯度下主拉應力

圖7 澳大利亞溫度梯度下主拉應力

圖8 英國BS5400溫度梯度下主拉應力

圖9 不同規(guī)范溫度梯度作用下各節(jié)點主拉應力

表3 不同規(guī)范溫度梯度作用下各節(jié)點主拉應力

由表3可以看出，不同的規(guī)范所規(guī)定的溫度梯度荷載對6#塊順橋向左側腹板與頂板交接處內(nèi)側一排節(jié)點的主拉應力影響效果各不相同并且部分規(guī)范計算出來的箱梁主拉應力個別節(jié)點甚至出現(xiàn)了應力值異號的情況。

3.2 不同溫度差對結構主拉應力的影響

對于大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋體系，橋面板都是暴露在陽光的照射下，相比靠近水面的底板溫度要高一些，從而導致頂?shù)装逯g形成溫度梯度。通常情況下頂?shù)装宓臏夭羁蛇_10～15℃。對于溫度梯度的影響，一般假定溫度梯度在整個橋梁上部結構沿縱向是恒定不變的。在模型中對于溫度荷載分別按照以下三種情況考慮：

1）頂板與腹板、底板之間的溫度差為5℃，考慮頂板升溫20℃，腹板和底板升溫15℃；

2）頂板與腹板、底板之間的溫度差為10℃，考慮頂板升溫25℃，腹板和底板升溫15℃；

3）頂板與腹板、底板之間的溫度差為15℃，考慮頂板升溫30℃，腹板和底板升溫15℃。

計算結果見表4和圖10。

表4 不同溫度差各節(jié)點主拉應力

圖10 頂腹板不同溫度差各節(jié)點主拉應力

由表4和圖10可以看出，在只考慮了溫度梯度而沒有考慮結構自重和預應力作用的情況下，當箱梁頂板與腹板和底板存在溫度梯度時，在頂板與腹板交接處的腹板各節(jié)點主拉應力值普遍較大，大多遠超規(guī)范要求的主拉應力限值3.15 MPa。

4 結論

1）JTJ 021—85相比較其他規(guī)范而言對于溫度荷載的規(guī)定偏于不安全；JTGD 60—2004規(guī)范跟澳大利亞規(guī)范計算出來的腹板主拉應力值變化幅度較為接近；而英國BS5400規(guī)范計算出來的腹板各節(jié)點的主拉應力值最小，對于溫度荷載的規(guī)定更加安全。這也說明采用不同的溫度梯度模式計算出來的主拉應力值差別較大，在實際工程中應該根據(jù)具體情況選擇合適的溫度梯度模式。

2）在只考慮溫度梯度而沒有考慮結構自重和預應力作用的情況下，當箱梁頂板與腹板和底板存在溫度梯度時，在頂板與腹板交接處的腹板各節(jié)點主拉應力值普遍較大，大多遠遠超過了規(guī)范要求的主拉應力限值，故可知溫度梯度對于箱梁腹板的開裂有著十分顯著的影響。隨著頂板與腹板和底板溫度梯度差距越大，開裂越嚴重。